电路与电子技术基础(7)

1、 7.1.1 存储器的分类 存储器从信息存取的情况可分为只读存储器（只读存储器（ROM）和随机存储器（和随机存储器（RAM）。 半导体存储器从制造工艺方面可分为双极型（双极型（TTL型）和单极性（型）和单极性（MOS型）型）。 只读存储器（ROM）主要由与阵列、或阵列、输出缓冲级等部分组成，为大规模组合逻辑电路。 随机存储器（RAM）主要由地址译码器、存储矩阵、读/写控制电路等部分组成，为大规模时序逻辑电路。 7.1.2 存储器的主要技术参数 存储器的最主要技术参数为存取速度和存储容量。 1. ROM的特点 （1）在工作时，只能进行读出（取出）操作，而不能随便进行写入（存入）操作。 当ROM的

2、地址码输入端给定一个地址码后，便可以在她的数据输出端得到一个事先在其内部存入的确定数据。 （2）ROM的存储单元简单，只是一些开关元件（如二极管、三极管、MOS管、熔丝等）， ROM存入数据的工作就是将作为存储单元的开关元件设置成接通状态或断开状态。 （3）ROM集成度高，且存储具有不挥发性（不易失性），即断电后。ROM中信息也不会丢失。 （4）属于组合逻辑电路。2. ROM的结构地址译码器、存储矩阵和输出缓冲器（又称输出电路，通常由三态门组成）三大部分构成。 （1）地址译码器 地址译码器负责把地址代码已成相应的控制信号，利用这个控制信号将存储矩阵中的指定的存储单元选中，并把存储单元中的数据送

3、给输出缓冲器。 （2）存储矩阵 存储矩阵包含了大量存储单元，存储单元由二极管、三极管或MOS管组成，每个存储单元只能存储一位二进制代码，每一个或一组存储单元被编为一个地址。 （3）输出缓冲器 输出缓冲器的作用一是提高存储器带负载能力，二是可以实现对输出状态的三态控制以便与总线连接实现数据输出。 3. ROM的参数存储容量 具有n条地址线，有 条译码输出线，m条数据输出线的存储器，其容量为 （字位） n2mn2 3. ROM的应用 只读存储器ROM是用以存储固定信息的存储部件，存储的信息一旦写入，就只能读出，不能随意更改，且即便没有电源，存储的数据也不会丢失。ROM主要用于存放需要长期保存的数据

4、、表格、程序、函数和字符等等固定不变的信息。可以用来产生组合逻辑函数、制成波形发生器、用作各种数据表和“字典”。 7.2.2 各种ROM的工作原理、特点 ROM存入数据的过程称为对ROM的“编程”，根据编程方式的不同，可以将ROM分成内容固定的ROM、一次性可编程的PROM和可多次编程的EPROM和 EEPROM。 1. 内容固定的ROM 在半导体器件厂生产内容固定的ROM时，根据ROM的存储内容，设计成相应的“掩膜”。这种按特制掩膜做成的ROM制成后，其存储内容是不能改变的。内容固定的ROM适用于批量很大的产品，如汉字库、函数表等。 （1）电路组成 ROM属于组合逻辑电路。其地址译码器是一个

5、与门的阵列（与阵）存储矩阵是一个或门矩阵（或阵）。 ROM存储数据的真值表 输出实现如下逻辑函数0101323010130201012110101013200AAAAWWDAAAAWWDAAAAWWDAAAAAAWWWD ROM的地址译码器（与阵）是不可编程的。可编程的只是存储矩阵（或阵）。 如果将前图中有二极管的位置都换成NMOS管，就可以构成MOS管ROM存储电路。该MOS管的ROM的存储内容与前图二极管的ROM相同，工作原理基本也一样。 2. 一次性可编程的PROM 一次性可编程的PROM也称为可编程只读存储器，只能由用户进行一次编程，这类产品在出厂时，所有的存储单元均存为“1”或存为“

6、0”，使用者根据需要将其中某些单元改写为“0”或“1”。 PROM的电路结构和固定ROM基本相同，所不同的只是在每一个存储单元中都串接了一个熔丝，如图所示。没有编程时，所有熔丝都是连通的，全部存储器单元相当于都存储。用户在编程时可以根据要求，借助于编程工具将不需要的存储单元的熔丝烧断。当然熔丝烧断后市不可恢复的，因此这种可编程只读存储器只能进行一次性编程。使用时，只能读出而不能写入。 3. 可多次编程的EPROM和 EEPROM （1）EPROM 可多次编程的EPROM也就是可抹可编程只读存储器，EPROM是可以进行多次改写的只读存储器。通过紫外线光的照射可将EPROM存储的内容擦除，然后再用

7、编程器写入新的信息。 EPROM的存储单元是由浮置栅雪崩注入型MOS管构成的，浮置栅雪崩注入型MOS管符号示意图如图所示。 EPROM器件的外形如图所示。其上方有一个石英窗口，以便用紫外线照射来抹去信息。正常运用时，应用黑胶带将石英窗口遮盖，以防止栅上电荷（信息）丢失。 EPROM查处或全“1”状态后，可以再根据需要，用编程器将某写存储单元写成“0”，即将对应MOS管的栅上积累上电荷来实现编程。 （2）EEPROM EEPROM称为电抹可编程只读存储器。它的存储单元是具有两个栅极的NMOS管，MOS管符号示意图为 （3）闪速存储器 闪速存储器是新型的ROM，它与EEPROM都是电抹可编程的，但

8、是擦除器件中信息的时间要比EEPROM短得多；容量也比EEPROM大。随机存储器RAM也是电子计算机中的重要部件，它能够存储数据、指令和中间运算的结果。RAM是一种能够选择任一存储单元写入（存入）或读出（取出）数据的存储器。读出操作时，原信息保留；写入操作时，新信息取代原信息；不进行读写操作时，RAM将保留它所存储的信息。 7.3.1 RAM的特点、结构、参数及分类 1. RAM的特点 （1）具有读出和写入功能。随机存储器的“读写”是指RAM具有将信息写入存储器，也有从RAM中将其存储的信息读出来的功能。 （2）具有断电易失性。当电源一旦被切断，RAM中保存的信息将会全部丢失，所以RAM是挥发

9、性的存储器。 （3）属于时序逻辑电路。RAM具有记忆作用的功能与基本寄存器并无本质区别，可以把RAM看成是有许许多多基本寄存器组合起来构成的大规模集成电路。如果把基本寄存器比作暂存处，那么RAM就是大仓库了。 RAM的最大优点是读写方便，使用灵活，缺点是断电易失性。 2. RAM的结构 RAM是按“字”存储信息的,一个“字”中所含的“位”数是由具体的RAM器件决定的，可以是1位、4位、8位等。每个“字”是按“地址”存放的，也是按“地址”对RAM进行读和写操作的。根据“地址”选中欲进行读或写的“字”，实现“随机”地存取所选定的“字”的目的。可以将存储器好比一座宿舍楼，“地址”是对应的房间号，“字

10、”对应着房间里住的人。由于RAM的地址码和所存的“字”常常都是二进制数，容易将二者混淆，使用RAM时，必须注意它们的区别。 RAM的结构方框图，图中地址码为n位，经地址译码器变成 位选择线（或称“字选线”）。n2 3.RAM的参数 （1）RAM的容量 （2）RAM的时间参数 RAM的时间参数分别为读取时间和读写时间。读取时间反映了从RAM中读出信息所需的等待时间；读写周期反映了两次连续访问RAM所需要的最小时间间隔。 RAM的容量和工作速度是其最主要的技术参数。 4.RAM的分类 目前RAM主要是MOS器件，按照其存储单元的类型有纷飞静态RAM(SRAM)和动态RAM(DRAM)。 7.3.2

11、静态RRAM和动态RAM的工作原理及特点1.静态RAM的工作原理及特点 一个六管CMOS静态存储单元如图所示，图中T1、T2和T3、T4两个CMOS反相器输出和输入交叉耦合组成的基本触发器，可以用来存储一位二进制信息。T5、T6为由行线X控制的门控管，T7、T8为由列线Y控制的门控管。 （1）读操作 在X=1、Y=1时，T5、T6和T7、T8都导通，触发器和位线接通，数据线和位线也接通，这时，触发器中存储的数据通过数据线读出。 （2）写操作 2.动态RAM的工作原理及特点 一个单管CMOS动态存储单元如图7.3.3所示，它是由一个MOS管T1和存储电容组成。 当字线为低电平时，T1管截止，利用

12、电容Cs上是否存有电荷来代表存储的数据是1还是0。 (1)写操作 字线加高电平，T1导通，位线上的信息通过T1存储到电容Cs上。 （2）读操作 3.静态RAM与动态RAM的特点比较（1）静态RAM：信息是存储在触发器中，只要供给电源，存储器的信息就不会丢失，它无需刷新，存取速度高，因此使用方便，适用于小容量存储。但是由于一个存储单元由六个MOS管组成，存储容量小，功耗大。 （2）动态RAM：它是利用MOS管的栅极电容来存储信息，由于电容存在漏电，它存储的信息难以长期保存，需要定时刷新，因此外围电路复杂，使用不是很方便。但是由于组成存储单元的元件少、电路简单（一个存储单元就一个MOS管），所以集

13、成度高，存储容量大，功耗低，适用于大容量存储。 7.3.3 RAM的容量扩展 1.RAM的位扩展 位扩展时，地址线的个数不变。 2.RAM的字扩展 字扩展时，输出位线的个数不变。 3.如果字数和位数都不够用时，则可以将字数和位数同时进行扩展，组成大容量的RAM。 1. 可编程逻辑器件PLD的分类 可编程逻辑器件PLD是一种可由用户对其进行编程的大规模通用集成电路。 常用的PLD器件有可编程阵列逻辑PAL 可编程逻辑阵列PLA 通用阵列逻辑GAL 在系统可编程逻辑器件isp-PLD 现场可编程门阵列FPGA。 复杂的PLD称为CPLD，它和FPGA可统称为大容量的PLD，即HCPLD。 2. 可

14、编程逻辑器件PLD的优点 3.PLD器件的表示方法 由于PLD器件所用的门电路输入端可以很多，再用前面学习的门电路符号表示PLD器件内部电路并不合适，所以在介绍PLD器件之前先给出目前被广泛采用的一些逻辑表示方法。 （1）输入和输出缓冲器的逻辑表示 输入/输出缓冲器的常用结构有互补输出门和三态门电路，如图所示。它们都有一定的驱动能力，所以称为缓冲器。 （2）阵列交叉连接的逻辑表示PLD器件阵列交叉连接方式如图所示。图（a）表示永久性连接，又称为硬线连接或固定连接；图（b）表示编程连接，连接状态由编程决定，是可编程的；图（c）表示交叉二线没有任何连接，称为断开连接。（3）与门和或门的逻辑表示 为

15、了方便逻辑图的表达，PLD器件中与门和或门的逻辑符号表示如图所示。 ABCY CBAY 7.4.1可编程逻辑阵列PLA 按照最简与或表达式编程的器件称为可编程逻辑阵列PLA，它的与阵和或阵都是可编程的。 7.4.2 可编程阵列逻辑PAL 与阵可编程而或阵不可编程的器件称为可编程阵列逻辑PAL， 它是采用熔丝工艺的一次可编程逻辑器件。编程时按照需要将与阵中的某些熔丝烧断，也就是说，编程是按“熔丝图”进行的。 编程以后的PAL电路结构图中有“”的交点表示熔丝保留，无“”的交点表示熔丝烧断。以下熔丝图实现输出的逻辑函数为BCCBYBACABYBABAY012 (a)编程前的内部结构 (b) 编程后的

16、内部结构BCCBYBACABYBABAY012 PAL的熔丝一旦烧断便不能恢复，即一旦编程后便不能修改，因此PAL是一次性编程器件，并且需要在专用的编程器上进行编程。由于其输出方式固定而不能重新组态，因此它的使用也有较大的限制。PAL的品种较多，比较典型的是PAL 16L8和PAL 16R6。 7.4.3 通用阵列逻辑GAL 通用阵列逻辑GAL出现于80年代初，其基本结构与PAL相同，有一个可编程的与阵和一个不可编程的或阵，但它又与PAL有所不同，GAL是EEPROM工艺的、可多次编程的器件，因此它具有可改写性，从而降低了设计风险；而且为了通用，GAL在或阵之后接了一个输出逻辑宏单元OLMC。

17、 在OLMC中包含了或门、寄存器和可编程的控制电路，通过对OLMC进行编程，可以组态出多种不同的输出结构（组合电路型输出模式、寄存器输出模式等），几乎涵盖了PAL的各种输出结构，可以构成多种组合电路或时序电路。因此GAL的功能更强大，使设计更加灵活，器件的选择也更方便，增强了器件的通用性。此外，GAL编程时需利用专用的编程器进行编程，且在编程时可以通过设置GAL的加密位来防止非法复制，保护知识产权。GAL的品种较多，比较典型的是GAL 16V8和GAL 20V8。 7.5.1 ROM实现组合逻辑函数的标准与或式 前面讨论的PROM、EPROM、EEPROM是属于用户编程的逻辑器件，它们可以实现组合逻辑函数，其与阵（即地址译码器）是不可编程的，或阵（即存储矩阵）是可编程的，ROM存储了组合逻辑的真值表，或者说，ROM按标准与或式（最小项之和形式）编程。 例7.5.1 试用PROM构成一个全加器。 用PROM实现的全加器如图所示